EP4300088A1 - Method for analyzing a material composition of a test object and automation component - Google Patents
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- EP4300088A1 EP4300088A1 EP22181453.6A EP22181453A EP4300088A1 EP 4300088 A1 EP4300088 A1 EP 4300088A1 EP 22181453 A EP22181453 A EP 22181453A EP 4300088 A1 EP4300088 A1 EP 4300088A1
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Definitions
- the invention relates to a method for analyzing a material composition of a test object, in which an impedance spectrum dependent on a frequency and/or an amplitude of the test signal is recorded from the test object via a sensor using an impedance measuring unit with an electrical test signal.
- the invention also relates to an automation component comprising an impedance measuring unit designed with an electrical test signal to record an impedance spectrum dependent on a frequency and/or an amplitude of the test signal from a test object via a sensor.
- the measuring method is known as impedance spectroscopy.
- the object is achieved by a method for analyzing a material composition of a test object in that an impedance spectrum which is dependent on a frequency and/or an amplitude of the test signal is recorded from the test object via a sensor using an impedance measuring unit with an electrical test signal, wherein in a Assignment table different material compositions are stored, with one test item being provided for each material composition, the respective test item being used in a detection phase for the test object and a predeterminable number of test spectra from the respective test item being recorded with the impedance measuring unit and this number of test spectra is stored as a material composition-specific training data set in a sample acquisition unit, in a subsequent learning phase, a material composition-specific neural network is trained for the number of test spectra of the respective material compositions, in a subsequent analysis phase that is crucial for the manufacturing process currently recorded impedance spectrum of the test object is analyzed with the material composition-specific neural networks and as a result of the analysis the material composition is output, which has given the highest agreement to the respective material composition-specific
- neural networks i.e. artificial neural networks
- knowledge discovery in database process which is often also referred to as data mining.
- the general aim of discovering unknown connections from mostly very large data sets derives from this data mining.
- the algorithms used are operated differently, i.e. to analyze the data sets without specifying explicit result expectations.
- materials in automated production are subject to manufacturing or batch-related fluctuations.
- the invention offers the advantage of analyzing test objects in which the relationship between object properties and impedance spectrum cannot be described analytically by physical laws.
- a target material composition of the test object is stored in the allocation table and known deviations in the composition from the target material composition are selected for the other material compositions, with the target material composition being used based on the material compositions determined in the analysis phase current deviation of the material composition from the target material composition is determined.
- the inventor has recognized that, in contrast to known methods of impedance spectroscopy, it is now possible to provide a material analysis in combination with an evaluation device based on AI methods in conjunction with an automation device in manufacturing technology, in particular for materials that are not physical or have chemical forms described.
- This has the advantage that certain impedance curves can be assigned to specific properties of the test object in a training process. A classification of the properties can then take place in real time during the ongoing production process. This classification makes one Kmo and/or monitoring of the quality characteristics of the test object possible.
- the method according to the invention provides, in a further development for use in a manufacturing process of the test object, to be able to intervene in the manufacturing process with the knowledge of the deviation in the material composition in such a way that the test object again has the target material composition.
- An even improved method step provides that the acquisition phase is carried out on a local automation component, and the material composition-specific training data sets are sent to a higher-level computing system, with the learning phase being carried out on the higher-level computing system, and the learned or calculated material composition specific neural networks are sent back from the higher-level computing system to the local automation component and are stored in the automation component for the analysis phase.
- an automation device can then have a modular structure and even be designed as a mobile structure.
- This mobile structure could then only be used to train the AI applications.
- the data sets could then be fed into a cloud service, for example, and a trained neural network would be returned as a result.
- the trained neural network is then stored on the modular automation device and can then be integrated into the system in the process. A download of the neural network during operation of the system is also conceivable.
- a further improvement in the significance of the analysis is achieved by the fact that the impedance spectrum is considered to be more complex Course of the frequency is specified, and separate material composition-specific neural networks are trained for an amount, a phase angle, a real part and an imaginary part, which work in parallel in the analysis phase for the comparison with the currently recorded impedance spectrum in order to ensure the accuracy of the statement to increase the material composition to be determined.
- material compositions can be calculated in these individual forms of representation, i.e. amount, phase, real part and imaginary part, even in separate networks that work in parallel.
- the properties of the substance to be examined can have different effects on the individual forms of representation (amount, phase, real part and imaginary part) and this enables a more precise hit rate when classifying in the neural networks.
- an automation component comprising an impedance measuring unit designed with an electrical test signal to record an impedance spectrum dependent on a frequency and / or an amplitude of the test signal from a test object via a sensor, a processor module being designed to process neural networks, and a data memory in which a neural Network is stored
- the task mentioned at the beginning is solved in that an assignment table in which different material compositions are stored
- a sample acquisition unit which is designed to record a predeterminable number of test spectra for the material compositions specified in the assignment table in a detection phase by means of the impedance measuring unit are, furthermore, a data manager is designed to store and manage the number of test spectra as material composition-specific training data sets in the sample acquisition unit, an interface is designed to connect to a learning means, the learning means being designed in a learning phase for the respective training data sets to provide a material composition-specific neural network, the data memory is designed so that the specific neural networks are stored in it, the processor module being designed to make it possible to use the currently recorded impedance spectrum
- the automation component is improved in that a target material composition of the test object is stored in the allocation table and the further material compositions with known deviations in the composition from the target material composition are stored, with a calculation means being present, which is designed based on the in The material composition determined in the analysis phase is used to determine the deviation of the material compositions using the target material composition.
- the specific properties of the test object are assigned to certain impedance curves in the later learning phase.
- a classification of the properties can then take place in real time during a running process. This classification makes it possible to control/monitor the quality characteristics of the test object. In conjunction with an automation device, it is still possible to control or regulate the manufacturing process.
- the automation component is designed for use in a manufacturing process of the test object with a reporting unit, which in turn is designed to communicate the deviation in the material composition to a regulation and / or control unit, which in turn is designed in the To intervene in the manufacturing process so that the test object to be manufactured again has the target material composition.
- the automation component is designed with a data transfer unit, which is designed to send the material composition-specific training data sets to a higher-level computing system with the data manager.
- a mobile structure could be realized, in particular with the automation component.
- the mobile structure could then be solely responsible for training an AI application.
- the trained neural network can then later be saved back to the automation component.
- the FIG 1 shows an automation component 1, which is designed to analyze a material composition Mi of a test object 40.
- the test object 40 is analyzed via a sensor 6 using a test signal PS.
- An impedance measuring unit 5 is designed to use the electrical test signal PS to record an impedance spectrum ImS, which is dependent on a frequency and/or an amplitude of the test signal PS, from the test object 40 via the sensor 6.
- a sensor-specific sensor interface 4 is arranged between the sensor 6 and the impedance measuring unit 5.
- the automation component 1 has a processor module 7.
- the processor module 7 is coupled to a data memory 8, in which the neural network or networks NNi are stored.
- a first test specimen P1 which corresponds to a first material composition Mi, is provided for measuring test spectra corresponding to this material composition. Accordingly, as many material compositions Mi are stored in the assignment table 9 as there are test specimens Pi.
- the test spectra TSi1,...,100 of the respective material composition Mi are trained to form a material composition Mi-specific neural network NNi.
- the training data sets TDs can either be guided to a learning device 12 via an interface 11 or passed on to a bus system 31 via a bus interface 32 so that the training data sets TDs can be passed on to a higher-level computing system 30.
- this higher-level computing system 30 there is a learning algorithm 33, in which the training data sets TDs in material composition Mi specific neural networks NNi are trained.
- a target material composition SM of the test object 40 is also stored in the assignment table 9.
- a known deviation in the composition from the target material composition SM is also stored.
- reporting unit 14 in the automation component which is designed to communicate the deviation in the material composition to a control and/or control unit, which in turn is designed to intervene in the manufacturing process so that the test object 40 to be manufactured again has the target material composition .
- the acquisition phase EP, the learning phase LP and the analysis phase AP of the method for analyzing a material composition Mi of a test object are essentially shown.
- one test object P1, P12, P3,...,Pi-2,Pi-1,Pi is provided for the test object 40.
- the impedance measuring unit 5 With the impedance measuring unit 5, a number N of impedance spectra ImS are recorded for each test object Pi. The recorded impedance spectra ImS are then assigned to the test objects Pi or the material composition Mi and result in the recorded test spectra TSik of the respective test object Pi.
- a material composition Mi-specific neural network NNi is trained for the number N of test spectra TSik of the respective material composition Mi. Accordingly, a first material composition M1-specific neural network NN1 is formed from a first test spectrum TS1k for a first test item P1 and also for an i-th test item Pi for an I-th material composition An i-th test spectrum TSik is summarized and an i-th material composition-specific neural network NNi is trained or generated or formed.
- a currently recorded impedance spectrum ImS of the test object 40 is again analyzed with the material composition MMi-specific neural networks NNi and the result is the material composition Mi, which for the impedance spectrum ImS to be analyzed has the highest correspondence with the respective material composition Mi specific neural network NNi.
- a test spectrum TS4 is recorded with a fourth test specimen, which corresponds to the target spectrum SS.
- a third test spectrum TS3 is then recorded with a third test specimen P3, which corresponds to the material composition SM of the fourth test specimen P4 minus a deviation D1.
- a test spectrum TS is recorded with a fifth test specimen P5, which corresponds to a material deviation of the fourth test specimen P4 plus a deviation D4, etc.
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analyse einer Materialzusammensetzung eines Testobjekts (40), bei welchem
- mit einer Impedanz-Messeinheit (5) mit einem elektrischen Prüfsignal (PS) ein von einer Frequenz (f) und/oder einer Amplitude des Prüfsignals (PS) abhängiges Impedanzspektrum (ImS) über einen Sensor (6) von dem Testobjekt (40) aufgenommen wird,
- in einer Zuordnungstabelle (9) unterschiedliche Materialzusammensetzungen (Mi) gespeichert werden,
- jeweils ein Prüfling (Pi) für jede Materialzusammensetzung (Mi) bereitgestellt wird,
- in einer Erfassungs-Phase (EP) für das Testobjekt (40) der jeweilige Prüfling (Pi) eingesetzt wird und mit der Impedanz-Messeinheit (5) eine vorgebbare Anzahl (N) von Testspektren (TSik) von dem jeweiligen Prüfling (Pi) aufgenommen werden und diese Anzahl an Testspektren (TSik) als ein Materialzusammensetzung (Mi) spezifischer Trainings-Datensatz (TDS) in einer Probenerfassungseinheit (10) hinterlegt wird,
- in einer Lernphase (LP) für die Anzahl (N) an Testspektren (TSik) der jeweiligen Materialzusammensetzungen (Mi) ein spezifisches neuronales Netz (NNi) angelernt wird,
- in einer Analyse-Phase (AP) ein aktuell aufgenommenes Impedanzspektrum (ImS) des Testobjektes (40) mit den Materialzusammensetzungen (Mi) spezifischen neuronalen Netzen (NNi) analysiert wird und als Ergebnis die Materialzusammensetzung (Mi) ausgegeben wird, welche für das zu analysierende Impedanzspektrum (ImS) die höchste Übereinstimmung zu dem jeweiligen Materialzusammensetzungen (Mi) spezifischen neuronalen Netz (NNi) ergeben hat.
The invention relates to a method for analyzing a material composition of a test object (40), in which
- with an impedance measuring unit (5) with an electrical test signal (PS), an impedance spectrum (ImS) dependent on a frequency (f) and / or an amplitude of the test signal (PS) via a sensor (6) from the test object (40) is recorded,
- different material compositions (Mi) are stored in an assignment table (9),
- one test specimen (Pi) is provided for each material composition (Mi),
- in a detection phase (EP) for the test object (40), the respective test object (Pi) is used and with the impedance measuring unit (5) a predeterminable number (N) of test spectra (TSik) from the respective test object (Pi) are recorded and this number of test spectra (TSik) is stored as a material composition (Mi)-specific training data set (TDS) in a sample acquisition unit (10),
- in a learning phase (LP) a specific neural network (NNi) is trained for the number (N) of test spectra (TSik) of the respective material compositions (Mi),
- In an analysis phase (AP), a currently recorded impedance spectrum (ImS) of the test object (40) is analyzed with the material compositions (Mi)-specific neural networks (NNi) and the material composition (Mi) is output as a result, which is for the analyzing impedance spectrum (ImS) showed the highest agreement with the respective material composition (Mi) specific neural network (NNi).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analyse einer Materialzusammensetzung eines Testobjekts, bei welchem mit einer Impedanz-Messeinheit mit einem elektrischen Prüfsignal ein von einer Frequenz und/oder einer Amplitude des Prüfsignals abhängiges Impedanzspektrum über einen Sensor von dem Testobjekt aufgenommen wird.The invention relates to a method for analyzing a material composition of a test object, in which an impedance spectrum dependent on a frequency and/or an amplitude of the test signal is recorded from the test object via a sensor using an impedance measuring unit with an electrical test signal.
Ebenso betrifft die Erfindung eine Automatisierungskompenente umfassend eine Impedanz-Messeinheit ausgestaltet mit einem elektrischen Prüfsignal ein von einer Frequenz und/oder einer Amplidute des Prüfsignals abhängiges Impedanzspektrum über einen Sensor von einem Testobjekt aufzunehmen.The invention also relates to an automation component comprising an impedance measuring unit designed with an electrical test signal to record an impedance spectrum dependent on a frequency and/or an amplitude of the test signal from a test object via a sensor.
Aus der Messung von Impedanzen eines Testobjektes bei unterschiedlichen Frequenzen lassen sich Eigenschaften des Testobjektes aufzeigen. Das Messverfahren ist unter den Namen Impedanz-Spektroskopie bekannt.By measuring the impedances of a test object at different frequencies, properties of the test object can be revealed. The measuring method is known as impedance spectroscopy.
Für eine Impedanzmessung gibt es bereits geeignete Messgeräte. Diese erlauben die Impedanzmessung bei verschiedenen Frequenzen. Die daraus resultierenden komplexen Impedanzwerte können danach zu einem Verlauf über die Frequenz dargestellt werden, nämlich dem Impedanzspektrum. Üblich ist eine Ermittlung des Impedanzspektrums mithilfe spezieller Sensoren, die es erlauben, unterschiedliche Testobjekte oder Materialien zu untersuchen.There are already suitable measuring devices for impedance measurement. These allow impedance measurement at different frequencies. The resulting complex impedance values can then be represented as a curve over the frequency, namely the impedance spectrum. It is common to determine the impedance spectrum using special sensors that allow different test objects or materials to be examined.
Im Gegensatz zu elektrischen Bauteilen, bei denen die Impedanzen hauptsächlich durch physikalische Zusammenhänge beschrieben werden und berechenbar sind, gibt es auch Impedanzverläufe die nicht ohne weiteres physikalischen Gesetzmäßigkeiten zuordenbar sind.In contrast to electrical components, where the impedances are mainly described by physical relationships and can be calculated, there are also impedance curves that cannot easily be assigned to physical laws.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, insbesondere für die fertigungstechnische Automatisierungstechnik, ein Verfahren zur Analyse einer Materialzusammensetzung eines Testobjektes anzugeben, und zwar für Testobjekte bei welchen die Impedanzverläufe nicht durch physikalische Gesetzmäßigkeiten, beispielsweise durch Berechnung einer Formel, verifizierbar sind.It is the object of the present invention, in particular for manufacturing automation technology, to provide a method for analyzing a material composition of a test object, specifically for test objects in which the impedance curves cannot be verified by physical laws, for example by calculating a formula.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Analyse einer Materialzusammensetzung eines Testobjektes dadurch gelöst, dass mit einer Impedanz-Messeinheit mit einem elektrischen Prüfsignal ein von einer Frequenz und/oder einer Amplitude des Prüfsignals abhängiges Impedanzspektrum über einen Sensor von dem Testobjekt aufgenommen wird, wobei in einer Zuordnungstabelle unterschiedliche Materialzusammensetzungen gespeichert werden, wobei jeweils ein Prüfling für jede Materialzusammensetzung bereitgestellt wird, wobei in einer Erfassungs-Phase für das Testobjekt der jeweilige Prüfling eingesetzt wird und mit der Impedanz-Messeinheit eine vorgebbare Anzahl von Testspektren von dem jeweiligen Prüfling aufgenommen werden und diese Anzahl an Testspektren als ein Materialzusammensetzung spezifischer Trainings-Datensatz in einer Probenerfassungseinheit hinterlegt wird, in einer anschließenden Lern-Phase wird für die Anzahl an Testspektren der jeweiligen Materialzusammensetzungen ein Materialzusammensetzung spezifisches neuronales Netz angelernt, in einer danach stattfindenden für den Fertigungsprozess entscheidenden Analyse-Phase wird ein aktuell aufgenommenes Impedanzspektrum des Testobjektes mit den Materialzusammensetzung spezifischen neuronalen Netzen analysiert und als Ergebnis der Analyse wird die Materialzusammensetzung ausgegeben, welches für das zu analysierende Impedanzspektrum die höchste Übereinstimmung zu den jeweiligen Materialzusammensetzungen spezifischen neuronalen Netz ergeben hat.The object is achieved by a method for analyzing a material composition of a test object in that an impedance spectrum which is dependent on a frequency and/or an amplitude of the test signal is recorded from the test object via a sensor using an impedance measuring unit with an electrical test signal, wherein in a Assignment table different material compositions are stored, with one test item being provided for each material composition, the respective test item being used in a detection phase for the test object and a predeterminable number of test spectra from the respective test item being recorded with the impedance measuring unit and this number of test spectra is stored as a material composition-specific training data set in a sample acquisition unit, in a subsequent learning phase, a material composition-specific neural network is trained for the number of test spectra of the respective material compositions, in a subsequent analysis phase that is crucial for the manufacturing process currently recorded impedance spectrum of the test object is analyzed with the material composition-specific neural networks and as a result of the analysis the material composition is output, which has given the highest agreement to the respective material composition-specific neural network for the impedance spectrum to be analyzed.
Im Sinne der Erfindung bilden neuronale Netze, also künstliche neuronale Netze, Neuronenstrukturen mit erlerntem Wissen ab. Aus dem Bereich der künstlichen Intelligenz gibt es ein Knowledge discovery in data base Verfahren, welches oft auch als data mining bezeichnet wird. Aus diesem Data Mining leitet sich der generelle Anspruch ab, unbekannte Zusammenhänge aus meist sehr großen Datenbeständen zu entdecken. Dabei werden die verwendeten Algorithmen verschieden betrieben, also ohne Vorgabe expliziter Ergebniserwartungen, die Datenbestände zu analysieren. Insbesondere Materialien bei der automatisierungstechnischen Fertigung unterliegen herstellungs- bzw. chargenbedingten Schwankungen.In the sense of the invention, neural networks, i.e. artificial neural networks, map neuron structures with learned knowledge. From the field of artificial intelligence there is one Knowledge discovery in database process, which is often also referred to as data mining. The general aim of discovering unknown connections from mostly very large data sets derives from this data mining. The algorithms used are operated differently, i.e. to analyze the data sets without specifying explicit result expectations. In particular, materials in automated production are subject to manufacturing or batch-related fluctuations.
Die Erfindung bietet den Vorteil, Testobjekte zu analysieren, bei denen der Zusammenhang zwischen Objekteigenschaften und Impedanzspektrum nicht durch physikalische Gesetzmäßigkeiten analytisch beschreibbar ist.The invention offers the advantage of analyzing test objects in which the relationship between object properties and impedance spectrum cannot be described analytically by physical laws.
In einer Weiterbildung des Verfahrens wird in der Zuordnungstabelle eine Soll-Materialzusammensetzung des Testobjektes abgespeichert und für die weiteren Materialzusammensetzungen werden bekannte Abweichungen in der Zusammensetzung zu der Soll-Materialzusammensetzung gewählt, wobei anhand der in der Analyse-Phase ermittelten Materialzusammensetzungen mithilfe der Soll-Materialzusammensetzung eine aktuelle Abweichung der Materialzusammensetzung von der Soll-Materialzusammensetzung bestimmt wird.In a further development of the method, a target material composition of the test object is stored in the allocation table and known deviations in the composition from the target material composition are selected for the other material compositions, with the target material composition being used based on the material compositions determined in the analysis phase current deviation of the material composition from the target material composition is determined.
Der Erfinder hat erkannt, dass im Unterschied zu bekannten Verfahren der Impedanzspektrokopie es nun möglich ist, in der Kombination mit einer auf KI-Verfahren basierten Auswerteeinrichtungen im Zusammenspiel mit einem Automatisierungsgerät in der Fertigungstechnik eine Materialanalyse bereitzustellen, insbesondere für Materialien, welche sich nicht durch physikalische oder chemische Formen beschreiben lassen. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass in einem Anlernprozess bestimmte Impedanzverläufe konkreten Eigenschaften des Testobjektes zugeordnet werden können. Im laufenden Fertigungsprozess kann dann in einer Echtzeit eine Klassifizierung der Eigenschaften erfolgen. Durch diese Klassifizierung ist eine Kmo und/oder Überwachung der Qualitätsmerkmale des Testobjektes möglich.The inventor has recognized that, in contrast to known methods of impedance spectroscopy, it is now possible to provide a material analysis in combination with an evaluation device based on AI methods in conjunction with an automation device in manufacturing technology, in particular for materials that are not physical or have chemical forms described. This has the advantage that certain impedance curves can be assigned to specific properties of the test object in a training process. A classification of the properties can then take place in real time during the ongoing production process. This classification makes one Kmo and/or monitoring of the quality characteristics of the test object possible.
Im Zusammenspiel mit einem Automatisierungsgerät besteht dann die Möglichkeit der Steuerung oder Regelung des Prozesses. Dazu sieht das erfindungsgemäße Verfahren in einer Weiterbildung zur Anwendung in einem Fertigungsprozess des Testobjektes vor, mit der Kenntnis der Abweichung der Materialzusammensetzung derart in den Fertigungsprozess eingreifen zu können, dass das Testobjekt wieder die Soll-Materialzusammensetzung aufweist.In conjunction with an automation device, it is then possible to control or regulate the process. For this purpose, the method according to the invention provides, in a further development for use in a manufacturing process of the test object, to be able to intervene in the manufacturing process with the knowledge of the deviation in the material composition in such a way that the test object again has the target material composition.
Ein noch verbesserter Verfahrensschritt sieht vor, dass die Erfassungs-Phase auf einer lokalen Automatisierungskomponente durchgeführt wird, und die Materialzusammensetzung spezifischen Trainings-Datensätze an ein übergeordnetes Rechensystem gesendet werden, wobei die Lernphase auf dem übergeordneten Rechensystem durchgeführt wird, und die erlernten oder errechnete Materialzusammensetzung spezifischen neuronalen Netze von dem übergeordneten Rechensystem an die lokale Automatisierungskomponente zurückgesendet werden und für die Analyse-Phase in der Automatisierungskomponente abgespeichert werden.An even improved method step provides that the acquisition phase is carried out on a local automation component, and the material composition-specific training data sets are sent to a higher-level computing system, with the learning phase being carried out on the higher-level computing system, and the learned or calculated material composition specific neural networks are sent back from the higher-level computing system to the local automation component and are stored in the automation component for the analysis phase.
Verfahrensgemäß kann dann ein Automatisierungsgerät modular aufgebaut sein und sogar als ein mobiler Aufbau ausgestaltet sein. Dieser mobile Aufbau könnte dann ausschließlich dem Anlernen der KI-Applikationen dienen. Die Datensätze könnten dann beispielsweise in einen Cloudservicedienst eingespeist werden und es würde als Ergebnis ein angelerntes neuronales Netz zurückgeliefert werden. Das angelernte neuronale Netz wird dann auf dem modularen Automatisierungsgerät gespeichert und kann dann in die im Prozess befindliche Anlage integriert werden. Ein Download des neuronalen Netzwerkes während des Betriebes der Anlage ist ebenfalls vorstellbar.According to the method, an automation device can then have a modular structure and even be designed as a mobile structure. This mobile structure could then only be used to train the AI applications. The data sets could then be fed into a cloud service, for example, and a trained neural network would be returned as a result. The trained neural network is then stored on the modular automation device and can then be integrated into the system in the process. A download of the neural network during operation of the system is also conceivable.
Eine weitere Verbesserung in der Aussagekraft der Analyse wird dadurch erreicht, dass das Impedanzspektrum als komplexwertiger Verlauf der Frequenz angegeben wird, und für einen Betrag, einen Phasenwinkel, einen Realteil und einen Imaginärteil jeweils separate Materialzusammensetzung spezifische neuronale Netze angelernt werden, welche in der Analyse-Phase für den Vergleich mit dem aktuell aufgenommenen Impedanzspektrum parallel arbeiten um eine Genauigkeit der Aussage zu der zu ermittelnden Materialzusammensetzung zu erhöhen.A further improvement in the significance of the analysis is achieved by the fact that the impedance spectrum is considered to be more complex Course of the frequency is specified, and separate material composition-specific neural networks are trained for an amount, a phase angle, a real part and an imaginary part, which work in parallel in the analysis phase for the comparison with the currently recorded impedance spectrum in order to ensure the accuracy of the statement to increase the material composition to be determined.
Bei der Auswertung des Impedanzspektrums in Form einer Klassifizierung durch neuronale Netzwerke können in diesen einzelnen Darstellungsformen, also Betrag, Phase, Realteil und Imaginärteil, auch in parallel arbeitenden, getrennten Netzwerken Materialzusammensetzungen berechnet werden. Die Eigenschaften der zu untersuchenden Substanz können sich unterschiedlich auf die einzelnen Darstellungsformen (Betrag, Phase, Realteil und Imaginärteil) auswirken und damit ist eine genauere Trefferquote bei der Klassifizierung in den neuronalen Netzen möglich.When evaluating the impedance spectrum in the form of a classification by neural networks, material compositions can be calculated in these individual forms of representation, i.e. amount, phase, real part and imaginary part, even in separate networks that work in parallel. The properties of the substance to be examined can have different effects on the individual forms of representation (amount, phase, real part and imaginary part) and this enables a more precise hit rate when classifying in the neural networks.
Für eine Automatisierungskomponente umfassend eine Impedanzmesseinheit ausgestaltet mit einem elektrischen Prüfsignal ein von einer Frequenz und/oder einer Amplitude des Prüfsignals abhängiges Impedanzspektrum über einen Sensor von einem Testobjekt aufzunehmen, wobei ein Prozessorbaustein ausgestaltet ist, neuronale Netze zu verarbeiten, und ein Datenspeicher in dem ein neuronales Netz abgespeichert ist, wird die eingangs genannte Aufgabe dadurch gelöst, dass eine Zuordnungstabelle, in welcher unterschiedliche Materialzusammensetzungen gespeichert sind, eine Probenerfassungseinheit, welche ausgestaltet ist in einer Erfassungsphase mittels der Impedanzmesseinheit eine vorgebbare Anzahl von Testspektren für die in der Zuordnungstabelle angegebenen Materialzusammensetzungen aufzunehmen, vorhanden sind, weiterhin ist ein Datenmanager ausgestaltet die Anzahl an Testspektren als Materialzusammensetzung spezifischen Trainings-Datensätze in der Probenerfassungseinheit zu hinterlegen und zu verwalten, eine Schnittstelle ist ausgestaltet zu einem Lernmittel eine Verbindung aufzunehmen, wobei das Lernmittel ausgestaltet ist in einer Lernphase für die jeweiligen Trainings-Datensätze jeweils ein Materialzusammensetzung spezifisches neuronales Netz bereitzustellen, der Datenspeicher ist ausgestaltet, dass in ihm die spezifischen neuronalen Netze abgespeichert sind, wobei der Prozessorbaustein ausgestaltet ist es zu ermöglichen in einer Analyse-Phase das aktuell aufgenommene Impedanzspektrum mit den spezifischen neuronalen Netzen zu analysieren und als Ergebnis die Materialzusammensetzung auszugeben, welche für das zu analysierende Impedanzspektrum die höchste Übereinstimmung zu dem jeweiligen Materialzusammensetzung spezifischen neuronalen Netz ergeben hat.For an automation component comprising an impedance measuring unit designed with an electrical test signal to record an impedance spectrum dependent on a frequency and / or an amplitude of the test signal from a test object via a sensor, a processor module being designed to process neural networks, and a data memory in which a neural Network is stored, the task mentioned at the beginning is solved in that an assignment table in which different material compositions are stored, a sample acquisition unit which is designed to record a predeterminable number of test spectra for the material compositions specified in the assignment table in a detection phase by means of the impedance measuring unit are, furthermore, a data manager is designed to store and manage the number of test spectra as material composition-specific training data sets in the sample acquisition unit, an interface is designed to connect to a learning means, the learning means being designed in a learning phase for the respective training data sets to provide a material composition-specific neural network, the data memory is designed so that the specific neural networks are stored in it, the processor module being designed to make it possible to use the currently recorded impedance spectrum in an analysis phase to analyze the specific neural networks and, as a result, to output the material composition which, for the impedance spectrum to be analyzed, resulted in the highest agreement with the respective material composition-specific neural network.
Die Automatisierungsomponente wird dadurch verbessert, dass in der Zuordnungstabelle eine Soll-Materialzusammensetzung des Testobjektes abgespeichert ist und die weiteren Materialzusammensetzungen mit bekannten Abweichungen in der Zusammensetzung zu der Soll-Materialzusammensetzung abgespeichert sind, wobei ein Berechnungsmittel vorhanden ist, wobei es ausgestaltet ist, anhand der in der Analyse-Phase ermittelten Materialzusammensetzung mithilfe der Soll-Materialzusammensetzung die Abweichung der Materialzusammensetzungen zu bestimmen.The automation component is improved in that a target material composition of the test object is stored in the allocation table and the further material compositions with known deviations in the composition from the target material composition are stored, with a calculation means being present, which is designed based on the in The material composition determined in the analysis phase is used to determine the deviation of the material compositions using the target material composition.
Durch den Anlernprozess werden in der späteren Lernphase bestimmten Impedanzverläufen die konkreten Eigenschaften des Testobjektes zugeordnet. In einem laufenden Prozess kann dann in Echtzeit eine Klassifizierung der Eigenschaften erfolgen. Durch diese Klassifizierung ist eine Kontrolle/Überwachung der Qualitätsmerkmale des Testobjektes möglich. Im Zusammenspiel mit einem Automatisierungsgerät besteht weiterhin die Möglichkeit der Steuerung oder der Regelung des Fertigungsprozesses.Through the learning process, the specific properties of the test object are assigned to certain impedance curves in the later learning phase. A classification of the properties can then take place in real time during a running process. This classification makes it possible to control/monitor the quality characteristics of the test object. In conjunction with an automation device, it is still possible to control or regulate the manufacturing process.
Dazu ist die Automatisierungskomponente zur Anwendung in einem Fertigungsprozess des Testobjektes mit einer Meldeeinheit ausgestaltet, welche wiederum ausgestaltet ist die Abweichung der Materialzusammensetzung einer Regel- und/oder Steuereinheit mitzuteilen, welche wiederum ausgestaltet ist in den Fertigungsprozess einzugreifen, so dass das zu fertigende Testobjekt wieder die Sollmaterialzusammensetzung aufweist.For this purpose, the automation component is designed for use in a manufacturing process of the test object with a reporting unit, which in turn is designed to communicate the deviation in the material composition to a regulation and / or control unit, which in turn is designed in the To intervene in the manufacturing process so that the test object to be manufactured again has the target material composition.
Um die Trainings-Datensätze auszulagern oder beispielsweise in einem Cloudservice verarbeiten zu lassen ist die Automatisierungskomponente mit einer Datentransfereinheit ausgestaltet, welche ausgestaltet ist mit dem Datenmanager die Materialzusammensetzung spezifischen Trainings-Datensätze an ein übergeordnetes Rechensystem zu senden.In order to outsource the training data sets or, for example, have them processed in a cloud service, the automation component is designed with a data transfer unit, which is designed to send the material composition-specific training data sets to a higher-level computing system with the data manager.
Durch einen modularen Aufbau eines Automatisierungsgerätes könnte man insbesondere mit der Automatisierungskomponente einen mobilen Aufbau realisieren. Der mobile Aufbau könnte dann ausschließlich mit dem Anlernen einer KI-Applikation betraut sein. Das angelernte neuronale Netz kann dann später auf die Automatisierungskomponente zurückgespeichert werden.Through a modular structure of an automation device, a mobile structure could be realized, in particular with the automation component. The mobile structure could then be solely responsible for training an AI application. The trained neural network can then later be saved back to the automation component.
Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, dabei zeigt die
- FIG 1
- eine Automatisierungskomponente zur Analyse einer Materialzusammensetzung,
- FIG 2
- den Verfahrensablauf in einer symbolischen Darstellung von unterschiedlichen Phasen und
- FIG 3
- eine Verdeutlichung der Ermittlung von Testspektren durch zuvor besonders präparierte Prüflinge.
- FIG 1
- an automation component for analyzing a material composition,
- FIG 2
- the process flow in a symbolic representation of different phases and
- FIG 3
- an clarification of the determination of test spectra using previously specially prepared test specimens.
Die
Zur Auswertung eines neuronalen Netzes NN weist die Automatisierungskomponente 1 einen Prozessorbaustein 7 auf. Der Prozessorbaustein 7 ist mit einem Datenspeicher 8 gekoppelt, in welchem das oder die neuronalen Netze NNi abgespeichert werden.To evaluate a neural network NN, the
Für eine Erfassungs-Phase EP (siehe
Das bedeutet, in einer ersten Erfassung-Phase EP wird ein erster Prüfling P1, welcher einer ersten Materialzusammensetzung Mi entspricht, zur Messung von eben dieser Materialzusammensetzung entsprechenden Testspektren bereitgestellt. Demnach sind in der Zuordnungstabelle 9 so viele Materialzusammensetzungen Mi abgespeichert, wie es Prüflinge Pi gibt.This means that in a first acquisition phase EP, a first test specimen P1, which corresponds to a first material composition Mi, is provided for measuring test spectra corresponding to this material composition. Accordingly, as many material compositions Mi are stored in the assignment table 9 as there are test specimens Pi.
Für eine Lernphase LP werden die Testspektren TSi1,...,100 der jeweiligen Materialzusammensetzung Mi zur Bildung eines Materialzusammensetzung Mi spezifischen neuronalen Netzes NNi angelernt. Hierzu können die Trainingsdatensätze TDs entweder über eine Schnittstelle 11 zu einem Lernmittel 12 geführt werden oder über ein Businterface 32 an ein Bussystem 31 weitergegeben werden damit die Trainingsdatensätze TDs an ein übergeordnetes Rechensystem 30 weitergegeben werden können. In diesem übergeordneten Rechensystem 30 befindet sich ein Lernalgorythmus 33, in welchen die Trainingsdatensätze TDs in Materialzusammensetzung Mi spezifische neuronale Netze NNi angelernt werden.For a learning phase LP, the test spectra TSi1,...,100 of the respective material composition Mi are trained to form a material composition Mi-specific neural network NNi. For this purpose, the training data sets TDs can either be guided to a
In der Zuordnungstabelle 9 ist weiterhin eine Soll-Materialzusammensetzung SM des Testobjektes 40 abgespeichert. Für die weiteren Materialzusammensetzungen Mi ist eine bekannte Abweichung in der Zusammensetzung zu der Soll-Materialzusammensetzung SM ebenfalls abgespeichert. Es steht ein Berechnungsmittel 13 zur Verfügung, welches ausgestaltet ist, anhand der in der Analyse-Phase AP ermittelten Testspektren für die Materialzusammensetzung mithilfe der Soll-Materialzusammensetzung SM die Abweichung der Materialzusammensetzung SM zu bestimmen.A target material composition SM of the
Weiterhin existiert in der Automatisierungskomponente eine Meldeeinheit 14, welche ausgestaltet ist, die Abweichung der Materialzusammensetzung einer Regel- und/oder Steuereinheit mitzuteilen, welche dann wiederum ausgestaltet ist, in den Fertigungsprozess einzugreifen, so dass das zu fertigende Testobjekt 40 wieder die Soll-Materialzusammensetzung aufweist.Furthermore, there is a
Gemäß
In einer Lernphase LP werden für die Anzahl N an Testspektren TSik der jeweiligen Materialzusammensetzung Mi ein Materialzusammensetzung Mi spezifisches neuronales Netz NNi angelernt. Demnach wird aus einem ersten Testspektrum TS1k für einen ersten Prüfling P1 ein erstes Materialzusammensetzung M1 spezifisches neuronales Netz NN1 gebildet und ebenso für einen i-ten Prüfling Pi für eine I-te Materialzusammensetzung Mi wird ein i-tes Testspektrum TSik zusammengefasst und es wird ein i-tes Materialzusammensetzung spezifisches neuronales Netz NNi angelernt bzw. erzeugt oder gebildet.In a learning phase LP, a material composition Mi-specific neural network NNi is trained for the number N of test spectra TSik of the respective material composition Mi. Accordingly, a first material composition M1-specific neural network NN1 is formed from a first test spectrum TS1k for a first test item P1 and also for an i-th test item Pi for an I-th material composition An i-th test spectrum TSik is summarized and an i-th material composition-specific neural network NNi is trained or generated or formed.
In der späteren Analyse-Phase AP wird wiederum ein aktuell aufgenommenes Impedanzspektrum ImS des Testobjektes 40 mit den Materialzusammensetzung MMi spezifischen neuronalen Netzen NNi analysiert und als Ergebnis wird die Materialzusammensetzung Mi ausgegeben, welche für das zu analysierende Impedanzspektrum ImS die höchste Übereinstimmung mit dem jeweiligen Materialzusammensetzung Mi spezifischen neuronalen Netz NNi ergeben hat.In the later analysis phase AP, a currently recorded impedance spectrum ImS of the
Mit der
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